JP2005268663A

JP2005268663A - 複合積層セラミック部品及びその製造方法

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Publication number: JP2005268663A
Application number: JP2004081578A
Authority: JP
Inventors: Noboru Kojima; 暢小島
Original assignee: FDK Corp
Current assignee: FDK Corp
Priority date: 2004-03-19
Filing date: 2004-03-19
Publication date: 2005-09-29
Anticipated expiration: 2024-03-19
Also published as: JP4301503B2

Abstract

【課題】材料に鉛を含まず、導体にＡｇを用いて一体焼成しても変色せず、亀裂や反りあるいは発泡が生じることなく信頼性の高い製品を得る。
【解決手段】高誘電率誘電体層と低誘電率誘電体層が積層され、それらの内部に導体が配されて一体焼成されている複合積層セラミック部品であって、高誘電率誘電体層は、セラミック粉末と、ＳｉＯ₂−Ｌｎ₂Ｏ₃（ランタノイド系酸化物）−ＴｉＯ₂−ＲＯ（ＲはＢａ，Ｃａ，Ｓｒの１種以上）−ＺｎＯを主成分とする結晶化ガラスからなり、低誘電率誘電体層は、セラミック粉末と、高誘電率誘電体層で用いるのと同じ結晶化ガラスと、ＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃−Ｋ₂Ｏを主成分とする非晶質ガラスからなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、高誘電率の誘電体層と低誘電率の誘電体層を、内部に導体を配して積層し一体焼成する構造の複合積層セラミック部品及びその製造方法に関するものである。この技術は、例えばＬＣチップフィルタ等に有用である。

電子機器の小型化に伴い、電子部品の小型化、ＳＭＤ化（表面実装部品化）が急速に進み、１つのチップ内にコンデンサの機能とインダクタの機能の両方を具備する複合積層セラミック部品が開発され使用されている。以前は、コンデンサとインダクタを同一の誘電体層で形成してしていたが、誘電率の低い誘電体材料を用いた場合には形状が大きくなるし、誘電率の高い誘電体材料を用いた場合には浮遊容量によって周波数特性が悪化する等の問題があった。

そのため、誘電率が異なる誘電体層を組み合わせ、コンデンサ機能に適した高誘電率誘電体層とインダクタ機能に適した低誘電率誘電体層を積層する構造が開発されている（例えば、特許文献１あるいは２等参照）。

しかし、非晶質ガラスに鉛が含まれていたり、導体にＡｇを用いて一体焼成した際にガラス成分中にＡｇが拡散し、コロイド化して、変色することがあるといった問題がある。また、異種材料を一体焼成するため、材料の選択によっては亀裂や大きな反りが生じることもある。更に、焼成時にガラス間の反応により発泡が生じることがある。発泡により微細な穴が多数形成されている状態になると、外部電極形成のためにメッキ処理する際、メッキ液が穴に残留したり、強度の低下から信頼性の低下につながる。
特開平１０−２２１６２号公報特許第３２２５８５１号公報

本発明が解決しようとする課題は、従来技術では、使用する材料に鉛を含むことがある点、導体としてＡｇを用いて一体焼成する際に変色する恐れがある点、亀裂や反りあるいは発泡が生じることがあり信頼性が低い点、などである。

本発明は、高誘電率誘電体層と低誘電率誘電体層が積層され、それらの内部に導体が配されて一体焼成されている複合積層セラミック部品において、高誘電率誘電体層は、セラミック粉末と、ＳｉＯ₂−Ｌｎ₂Ｏ₃（ランタノイド系酸化物）−ＴｉＯ₂−ＲＯ（ＲはＢａ，Ｃａ，Ｓｒの１種以上）−ＺｎＯを主成分とする結晶化ガラスからなり、低誘電率誘電体層は、セラミック粉末と、高誘電率誘電体層で用いるのと同じ結晶化ガラスと、ＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃−Ｋ₂Ｏを主成分とする非晶質ガラスからなることを特徴とする複合積層セラミック部品である。

ここで低誘電率誘電体層は、セラミック粉末が１０〜２５体積％、結晶化ガラス＋非晶質ガラスが７５〜９０体積％であり、高誘電率誘電体層は、セラミック粉末が１０〜３０体積％、結晶化ガラスが７０〜９０体積％である比率が好ましい。低誘電率誘電体層に用いる結晶化ガラス／非晶質ガラスの体積比は、０．５以下とするのがよい。低誘電率誘電体層に用いるセラミック粉末としては、例えばアルミナを用いる。導体としては、例えばＡｇを用いる。

また本発明は、高誘電率誘電体層と低誘電率誘電体層を、それらの内部に導体を配して積層し一体焼成する複合積層セラミック部品の製造方法において、高誘電率誘電体層は、セラミック粉末と、ＳｉＯ₂−Ｌｎ₂Ｏ₃（ランタノイド系酸化物）−ＴｉＯ₂−ＲＯ（ＲはＢａ，Ｃａ，Ｓｒの１種以上）−ＺｎＯを主成分とする結晶化ガラスからなり、低誘電率誘電体層は、セラミック粉末と、高誘電率誘電体層と同じ結晶化ガラスと、ＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃−Ｋ₂Ｏを主成分とする非晶質ガラスからなり、焼成を８４０〜９００℃にて行うことを特徴とする複合積層セラミック部品の製造方法である。ここでも低誘電率誘電体層は、セラミック粉末が１０〜２５体積％、結晶化ガラス＋非晶質ガラスが７５〜９０体積％であり、高誘電率誘電体層は、セラミック粉末が１０〜３０体積％、結晶化ガラスが７０〜９０体積％であるのが望ましい。

本発明に係る複合積層セラミック部品は、材料中に鉛を一切含まず、導体にＡｇを使用しても誘電体が変色することはなく、また反りを抑制し、亀裂や発泡が生じず、緻密に焼成でき、高信頼性を実現できる。

本発明は、高誘電率誘電体層と低誘電率誘電体層が積層され、それらの内部に導体が配されて一体焼成されている構造の複合積層セラミック部品である。高誘電率誘電体層は、セラミック粉末と、ＳｉＯ₂−Ｌｎ₂Ｏ₃（ランタノイド系酸化物）−ＴｉＯ₂−ＲＯ（ＲはＢａ，Ｃａ，Ｓｒの１種以上）−ＺｎＯを主成分とする結晶化ガラスからなり、セラミック粉末が１０〜３０体積％に対して結晶化ガラスが７０〜９０体積％とする。低誘電率誘電体層は、セラミック粉末と、高誘電率誘電体層で用いるのと同じ結晶化ガラスと、ＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃−Ｋ₂Ｏを主成分とする非晶質ガラスからなり、セラミック粉末が１０〜２５体積％に対して（結晶化ガラス＋非晶質ガラス）が７５〜９０体積％とする。なお、低誘電率誘電体層に用いる結晶化ガラス／非晶質ガラスの体積比は、０．５以下とする。

複合積層セラミック部品は、例えば図１に示すように、高誘電率誘電体部分１０にＡｇで所望の積層方向で対向するコンデンサ導体パターン１２を形成してコンデンサ機能を持たせ、低誘電率誘電体部分１４にＡｇで所望のコイル導体パターン１６を形成してインダクタ機能を持たせた構成である。高誘電率誘電体部分１０と低誘電率誘電体部分１４は、ほぼ同じ厚みとなるように多数の誘電体層が積層されている。積層方法は、シート積層法でもよいし、印刷積層法でもよい。導体パターンの印刷には、Ａｇペーストを使用する。積層体は一体焼成され、外部電極１８が設けられる。

本発明では、上記のように、低誘電率誘電体層に、高誘電率誘電体層と同じ結晶化ガラスを用いている点に一つの大きな特徴がある。これにより、高誘電率誘電体の層と低誘電率誘電体の層との熱収縮曲線や熱膨張率を整合させ、反りや亀裂、剥離を防ぐ。またセラミック粉末と結晶化ガラス、非晶質ガラスの混合比率を調整することによって発泡を防止し、緻密に焼結させる。

なおセラミック粉末としては、各層の誘電体層に要求される誘電率、誘電損失、誘電率温度係数、熱膨張率などの各特性に応じて、アルミナ以外に、フォルステライトやチタン酸マグネシウム（ＭｇＴｉＯ₃）、ＢａＮｄ₂Ｔｉ₅Ｏ₁₄など多様な誘電体層材料を選択することができる。

また本発明は、高誘電率誘電体層と低誘電率誘電体層を、それらの内部に導体を配して積層し一体焼成する複合積層セラミック部品の製造方法において、高誘電率誘電体層は、セラミック粉末と、ＳｉＯ₂−Ｌｎ₂Ｏ₃（ランタノイド系酸化物）−ＴｉＯ₂−ＲＯ（ＲはＢａ，Ｃａ，Ｓｒの１種以上）−ＺｎＯを主成分とする結晶化ガラスからなり、低誘電率誘電体層は、セラミック粉末と、高誘電率誘電体層と同じ結晶化ガラスと、ＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃−Ｋ₂Ｏを主成分とする非晶質ガラスからなり、焼成を８４０〜９００℃にて行うことを特徴とする複合積層セラミック部品の製造方法である。ここで低誘電率誘電体層は、セラミック粉末が１０〜２５体積％、結晶化ガラス＋非晶質ガラスが７５〜９０体積％であり、高誘電率誘電体層は、セラミック粉末が１０〜３０体積％、結晶化ガラスが７０〜９０体積％であるのが望ましい。

高誘電率の誘電体層として、粒径２．０μｍのアルミナ粉末３５体積％と粒径１．１μｍの結晶化ガラス６５体積％の混合物を用い、低誘電率の誘電体層としてアルミナ粉末と結晶化ガラス及び非晶質ガラスの混合物を用いた。ここで高誘電率誘電体層及び低誘電率誘電体層で用いる結晶化ガラスは、ＳｉＯ₂２０重量％、Ｎｄ₂Ｏ₃１３重量％、Ｐｒ₆Ｏ₁₁４重量％、ＴｉＯ₂２０重量％、ＢａＯ１４重量％、ＳｒＯ６重量％、ＣａＯ３重量％、ＺｎＯ１６重量％、Ｎａ₂Ｏ４重量％からなる。また低誘電率誘電体層で用いる非晶質ガラスは、ＳｉＯ₂８０重量％、Ｂ₂Ｏ₃１６重量％、Ｋ₂Ｏ４重量％からなる。低誘電率誘電体は、粉末成形法により、密度及び誘電率測定用試料として直径２０ｍｍ、高さ１０ｍｍに、抗折強度試験用試料として長さ３０ｍｍ、幅５ｍｍ、厚さ４ｍｍに、それぞれ成形し、８８０℃にて２時間焼成した。その後、密度は水中置換法により、誘電率はＨａｋｋｉ＆Ｃｏｌｅｍａｎ法により、また抗折強度は３点曲げ強度試験により測定した。表１に、低誘電率誘電体層を構成する成分の体積比率による特性変化を示す。表中、＊印を付した試料は比較例、付していない試料は本発明である。

アルミナ粉末が１０〜２５体積％、結晶化ガラス＋非晶質ガラスが７５〜９０体積％であれば、焼成後に信頼性上必要な１６０ＭＰａ以上の抗折強度が得られる。因みに、アルミナ粉末が少ない（比較例：試料１−３）と抗折強度は低下するし、逆にアルミナ粉末が多い（比較例：試料１−９）と焼結不足となる。結晶化ガラス／非晶質ガラスの体積比率が０．５以下であれば、結晶化ガラスと非晶質ガラスとの反応は生じず、発泡は見られない。しかし、結晶化ガラス／非晶質ガラスの体積比率が０．５を超える（比較例：試料１−７，１−１０）と発泡が生じる。

表２は、低誘電率誘電体層を構成する成分の粒径と体積比率による焼結品の変化を示している。低誘電率誘電体層に結晶化ガラスを用いない場合には亀裂が生じたり（比較例：試料２−１）、反りが大きかった（比較例：試料２−１〜３）。しかし、低誘電率誘電体層に高誘電率誘電体層と同じ結晶化ガラスを用いると、亀裂は生じず、反りは小さくなった。特に、平均粒径２．０μｍのアルミナ粉末１６体積％、平均粒径１．１μｍの結晶化ガラス１９体積％、平均粒径１．２μｍの非晶質ガラス６５体積％の場合（試料２−５）では、反りがほぼ０になった。

参考例として、結晶化ガラスがＳｉＯ₂−ＣａＯ−ＭｇＯ−ＺｎＯ系の場合、あるいは非晶質ガラスがＳｉＯ₂−ＲＯ（ＲはＢａ，Ｃａ，Ｓｒの１種以上）−Ａｌ₂Ｏ₃系の場合も試作したところ、誘電体層に変色が発生した。

高誘電率誘電体層として、粒径１．１μｍのＢａＮｄ₂Ｔｉ₅Ｏ₁₄（セラミック粉末）と粒径１．１μｍの結晶化ガラスを用いた場合の体積比率による特性変化を図３に示す。なお、＊印を付した試料は比較例である。ここで高誘電率誘電体層は、ＳｉＯ₂２０重量％、Ｎｄ₂Ｏ₃１３重量％、Ｐｒ₆Ｏ₁₁４重量％、ＴｉＯ₂２０重量％、ＢａＯ１４重量％、ＳｒＯ６重量％、ＣａＯ３重量％、ＺｎＯ１６重量％、Ｎａ₂Ｏ４重量％からなる。ＢａＮｄ₂Ｔｉ₅Ｏ₁₄（セラミック粉末）が１０〜２０体積％、結晶化ガラスが８０〜９０体積％であれば、焼成後に信頼性上必要な１６０ＭＰａ以上の抗折強度が得られる。因みにＢａＮｄ₂Ｔｉ₅Ｏ₁₄（セラミック粉末）が多すぎると（比較例：試料３−１）焼結不足となり、逆にＢａＮｄ₂Ｔｉ₅Ｏ₁₄（セラミック粉末）が少なすぎると（比較例：試料３−６）軟化変形が生じる。

高誘電率誘電体層がＢａＮｄ₂Ｔｉ₅Ｏ₁₄（セラミック粉末）２５体積％と結晶化ガラス７５体積％からなる場合、低誘電率誘電体層に表２の試料２−５を用いて同時焼成した際には亀裂が生じず、反りも０．１７ｍｍと小さかったが、低誘電率誘電体層に結晶化ガラスを有しない表２の試料２−１を用いて同時焼成した際には亀裂が生じ、反りも１．５ｍｍと大きかった。

粒径２．０μｍのアルミナ粉末１７体積％と結晶化ガラス２７体積％及び非晶質ガラス５６体積％を混合した。ここで結晶化ガラスは、ＳｉＯ₂２０重量％、Ｎｄ₂Ｏ₃１３重量％、Ｐｒ₆Ｏ₁₁４重量％、ＴｉＯ₂２０重量％、ＢａＯ１４重量％、ＳｒＯ６重量％、ＣａＯ３重量％、ＺｎＯ１６重量％、Ｎａ２Ｏ４重量％からなる。また、非晶質ガラスは、ＳｉＯ₂８０重量％、Ｂ₂Ｏ₃１６重量％、Ｋ₂Ｏ４重量％からなる。この混合物にポリビニルアルコール（ＰＶＡ）を加えて造粒し、粉末成形法によってシート状に成形した。その後、４５０℃にて脱バインダ処理し、焼成温度８２０〜９２０℃で２時間焼成した。その結果を表４に示す。＊印を付した試料は比較例である。

結晶化ガラス／非晶質ガラスの体積比が０．４８の組成でも、焼成温度が８４０〜９００℃では発泡することなく緻密に焼結した。それに対して焼成温度８２０℃の場合（比較例：試料４−１）は焼結不足であり、焼成温度９２０℃の場合（比較例：試料４−６）は発泡が認められた。

複合積層セラミック部品の一例を示す縦断面図。

符号の説明

１０高誘電率誘電体部分
１２コンデンサ導体パターン
１４低誘電率誘電体部分
１６コイル導体パターン
１８外部電極

Claims

高誘電率誘電体層と低誘電率誘電体層が積層され、それらの内部に導体が配されて一体焼成されている複合積層セラミック部品において、
高誘電率誘電体層は、セラミック粉末と、ＳｉＯ₂−Ｌｎ₂Ｏ₃（ランタノイド系酸化物）−ＴｉＯ₂−ＲＯ（ＲはＢａ，Ｃａ，Ｓｒの１種以上）−ＺｎＯを主成分とする結晶化ガラスからなり、低誘電率誘電体層は、セラミック粉末と、高誘電率誘電体層と同じ結晶化ガラスと、ＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃−Ｋ₂Ｏを主成分とする非晶質ガラスからなることを特徴とする複合積層セラミック部品。
低誘電率誘電体層は、セラミック粉末が１０〜２５体積％、結晶化ガラス＋非晶質ガラスが７５〜９０体積％である請求項１記載の複合積層セラミック部品。
高誘電率誘電体層は、セラミック粉末が１０〜３０体積％、結晶化ガラスが７０〜９０体積％である請求項１記載の複合積層セラミック部品。
低誘電率誘電体層に用いる結晶化ガラス／非晶質ガラスの体積比が、０．５以下である請求項２記載の複合積層セラミック部品。
低誘電率誘電体層に用いるセラミック粉末がアルミナである請求項１記載の複合積層セラミック部品。
導体がＡｇである請求項１記載の複合積層セラミック部品。
高誘電率誘電体層と低誘電率誘電体層を、それらの内部に導体を配して積層し一体焼成する複合積層セラミック部品の製造方法において、
高誘電率誘電体層は、セラミック粉末と、ＳｉＯ₂−Ｌｎ₂Ｏ₃（ランタノイド系酸化物）−ＴｉＯ₂−ＲＯ（ＲはＢａ，Ｃａ，Ｓｒの１種以上）−ＺｎＯを主成分とする結晶化ガラスからなり、低誘電率誘電体層は、セラミック粉末と、高誘電率誘電体層と同じ結晶化ガラスと、ＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃−Ｋ₂Ｏを主成分とする非晶質ガラスからなり、焼成を８４０〜９００℃にて行うことを特徴とする複合積層セラミック部品の製造方法。
低誘電率誘電体層は、セラミック粉末が１０〜２５体積％、結晶化ガラス＋非晶質ガラスが７５〜９０体積％であり、高誘電率誘電体層は、セラミック粉末が１０〜３０体積％、結晶化ガラスが７０〜９０体積％である請求項７記載の複合積層セラミック部品の製造方法。